C10, C20 и токи заряда/разряда: почему у аккумулятора нет одной ёмкости

В паспорте свинцового аккумулятора написано «100 Ач», и покупатель считает, что при 12 В это 1,2 кВт·ч запаса. Потом он разряжает батарею током 20 А и получает не пять часов работы, а четыре. Обмана нет — есть параметр, который в паспорте стоит мелким шрифтом рядом с ёмкостью: C10. Этот урок про то, что он значит, какие токи для батареи нормальны и как это меняет расчёт банка. Про перевод ампер-часов в киловатт-часы мы уже говорили в уроке «100 или 200 Ач — сколько это в кВт·ч»; здесь — следующий слой.

Что такое C-rate

Буква C с числом обозначает время разряда в часах, для которого измерена ёмкость. C10 — ёмкость при 10-часовом разряде, C20 — при 20-часовом, C5 — при 5-часовом. Стандартом для стационарных свинцовых батарей считается C10, для автомобильных и части «солнечных» — C20; сравнивать батареи двух производителей можно только при одинаковом C. Ток в этих режимах равен ёмкости, делённой на часы: у 100-амперчасовой батареи C10 — это разряд током 10 А, C20 — 5 А.

Дальше начинается химия. У свинца доступная ёмкость падает с ростом тока — это эффект Пейкерта: та же батарея «100 Ач при C10» отдаст около 80 Ач при пятичасовом разряде и около 115 Ач при двадцатичасовом. Поэтому свинцовый банк, который по бумагам покрывает вечер с чайником и насосом, при реальном токе чайника даёт заметно меньше. У LiFePO4 зависимость почти отсутствует: ёмкость при разряде за час и за десять часов отличается на единицы процентов, и производители литиевых модулей указывают её просто в киловатт-часах при 0,5C — без мелкого шрифта.

Токи разряда: правила для свинца

• Максимальный ток разряда численно равен ёмкости (1C) и допустим только кратковременно — меньше минуты, пусковой ток насоса.
• Оптимальный длительный ток — не выше 20 % ёмкости (0,2C), а для непрерывной ночной нагрузки лучше 5–10 %.
• Инвертор в режиме максимальной мощности не должен требовать от банка больше, чем допустимый ток разряда, умноженный на число параллельных сборок. Отсюда классическая рекомендация: ток длительного разряда — не более половины, а лучше пятой части предельного.

Простая арифметика показывает, почему 12-вольтовые системы уперлись в потолок: 1 кВт на 12 В — это 83 А без учёта КПД инвертора, с ним — под 100 А. Для 10 кВт ток вырос бы до 1000 А, и медная шина стала бы прутком в полтора сантиметра. Поэтому чем мощнее система, тем выше напряжение банка: 24, 48, а у больших накопителей — сотни вольт; сравнение высоковольтных и низковольтных АКБ — отдельным уроком.

Токи заряда: где свинец и литий расходятся

Для свинца оптимальный ток заряда — 5–10 % ёмкости, максимальный — 20 %, у отдельных серий до 30 %. Отсюда следовал старый принцип проектирования автономных систем: именно ток заряда, а не запас энергии, определяет минимальную ёмкость. Суммарная ёмкость свинцового банка в ампер-часах должна в 5–10 раз превышать максимальный суммарный ток панелей в амперах — иначе в ясный день батарея будет перезаряжаться током, который её разрушает. На практике это означало, что под 3 кВт панелей на 48 В приходилось ставить не меньше 300–600 Ач свинца независимо от того, нужен ли такой запас на ночь.

У лития правило перевернулось. Ячейки LiFePO4 штатно заряжаются током 0,5C (за два часа) и допускают до 1C, ограничение задаёт не химия, а BMS модуля: у типичного 5-киловаттчасового блока на 51,2 В это 100 А, то есть около 5 кВт зарядной мощности на модуль. Инвертор читает этот предел по CAN и не превышает его — если связь настроена. Значит, вопрос теперь звучит не «хватит ли ёмкости, чтобы не сжечь батарею», а «хватит ли модулей, чтобы принять всю мощность панелей в полдень»: на 10 кВт панелей нужны минимум два таких модуля, иначе часть выработки уйдёт в ограничение. Как это выглядит в настройках — в уроке «АКБ не набирает 100 %».

Саморазряд и температура

Любая батарея теряет заряд на простое. AGM — порядка 1,5–3 % в месяц (100 Ач через месяц простоя — около 98 Ач), гелевые чуть меньше, LiFePO4 — 2–3 % в месяц. С ростом температуры саморазряд ускоряется. Температура влияет и на доступную ёмкость: у свинца при −20 °C остаётся 60–70 % от номинала, у лития ёмкость на морозе тоже падает, а заряд ниже 0 °C запрещён BMS вовсе — подробнее в уроке LiFePO4 на морозе. Выше 35 °C срок службы свинца сокращается вдвое на каждые 10 градусов; литий переносит жару лучше, но тоже стареет быстрее.

Старый расчёт банка: 40 % потерь

Классическая методика для свинца выглядела так. Определяем ночное потребление (скажем, 3 кВт·ч) и суточное (10 кВт·ч). Один аккумулятор 100 Ач × 12 В = 1,2 кВт·ч, значит минимальный банк — три таких, оптимальный — десять. Дальше добавляли потери: 80 % КПД свинцовой батареи, 80–90 % КПД инвертора, 80 % эффективность ШИМ-контроллера — в сумме около 40 % неустранимых потерь. И наконец, множитель за глубину разряда: обычный свинец нельзя опускать ниже 50 %, значит банк удваивается. Для зимней эксплуатации добавляли ещё 50 % и генератор для дозаряда большим током. В итоге под 10 кВт·ч суточного потребления выходило 25–30 кВт·ч свинца — тонна батарей на полу гаража.

Новый расчёт: то же самое под литий

Каждый множитель уменьшился. КПД цикла заряд-разряд у LiFePO4 — 95–97 %; MPPT в гибридном инверторе отдаёт 98–99 % против 80 % у ШИМ; КПД самого инвертора — 95–97 %. Суммарные потери — 8–12 % вместо 40. Доступная глубина — 90 % вместо 50. Тот же дом с 10 кВт·ч в сутки закрывается 12–15 кВт·ч лития — три настенных модуля по 5 кВт·ч, — а не тонной свинца. Как это считается по вечерним и ночным часам, — в уроках «Резерв на сутки» и «Сколько аккумуляторов нужно дому». Единственное, что не изменилось, — контроль по току: теперь его задаёт BMS, и инвертор должен её видеть.

Как читать это в паспорте

1. Ёмкость и её C. «100 Ач C10» и «100 Ач C20» — разные батареи; вторая при десятичасовом разряде даст около 87 Ач.
2. Напряжение покоя — для AGM после нескольких часов без нагрузки и заряда 13,0–13,2 В означает полный заряд; по этой цифре оценивают и износ.
3. Допустимая глубина разряда — таблица в уроке про типы АКБ.
4. Максимальный ток заряда и разряда — у свинца в долях C, у лития — в амперах в паспорте BMS. Это первое, что нужно сверить с мощностью инвертора.
5. Рабочий диапазон температур отдельно для заряда и для разряда — у лития они разные.

Частые вопросы

Почему производители свинца указывают C10, а не C1?

Потому что при C10 ёмкость выше и цифра в прайсе красивее. Это не подлог — стандарт разрешает, — но сравнивать нужно при одинаковом C.

Правило «ёмкость = 5–10 токов панелей» действует для лития?

Нет. Для LiFePO4 ограничение — максимальный ток заряда BMS; его сверяют с мощностью MPPT инвертора, а не с площадью панелей.

Можно ли разряжать литиевый модуль током 1C постоянно?

BMS позволит, ресурс сократится незначительно, но нагрев ячеек и шин вырастет. Для длительной нагрузки производители рекомендуют 0,5C — это и есть причина, по которой «5 кВт·ч» модуль обычно паспортизуют на 2,5–5 кВт отдачи.